Strona 1 Na warsztacie PRAKTYCZNY SZKOŁA KURS cz. 12 ELEKTRONIKI Poziom tekstu: średnio trudny Oto dwunasta część PRAKTYCZNEGO KURSU ELEKTRONIKI, który zainaugurowaliśmy w MT 2/2013 i będziemy kontynuować w kolejnych wydaniach. Zainteresowanie tym kursem jest olbrzymie, dlatego zdecydowaliśmy się umożliwić czytelnikom dołączenie do kursu w dowolnym momencie. Po prostu, wszystkie poprzednie części są dla wszystkich dostępne w formacie PDF na stronie www.mt.com.pl. Można z nich korzystać w komputerze lub wydru- kować sobie. Można też kupić wszystkie archiwalne numery MT na www.ulubionykiosk.pl. Publikacja każdej kolejnej części jest zawsze poprzedzona jedną stroną wstępnych informacji (jest to właśnie ta strona), żeby nowi czytelnicy mogli zapoznać się z zasadami KURSU i dołączyć do kursantów. ZAPRASZAMY! Jeśli nie masz bladego pojęcia o elektronice, ale chętnie byś poznał jej podstawy, to nadarza Ci się jedyna, niepowta- Zestaw EdW09 zawiera następujące rzalna okazja. We współpracy z bratnią redakcją miesięcz- elementy (specyfikacja rodzajowa): nika Elektronika dla Wszystkich publikujemy w Młodym Techniku cykl fascynujących lekcji dla zupełnie początkują- 1. Diody prostownicze 4 szt. cych. Jest to Praktyczny Kurs Elektroniki (PKE) z akcentem 2. Układy scalone 4 szt. na Praktyczny, gdyż każda lekcja składa się z projektu 3. Tranzystory 8 szt. i wykładu z ćwiczeniami, przy czym projekt to konkretny układ elektroniczny samodzielnie montowany i uruchamia- 4. Fotorezystor 1 szt. ny przez „kursanta”. Pewnie myślisz sobie – pięknie, ale jak 5. Przekaźnik 1 szt. ja mam montować układy nie mając lutownicy ani żadnych 6. Kondensatory 22 szt. części elektronicznych. Otóż jest rozwiązanie. Lutownicy nie będziesz w ogóle używać, gdyż wszystkie układy będą 7. Mikrofon 1 szt. montowane na płytce stykowej, 8. Diody LED 11 szt. do której wkłada się „nóżki” elementów na wcisk. 9. Przewód 1m I rzecz najważniejsza! Wydawnictwo AVT przy- 10. Mikroswitch 2 szt. gotowało zestaw EdW09, zawierający płytkę stykową i wszystkie elementy, jakie będą potrzebne do wykonania 11. Piezo z generatorem 1 szt. kilkunastu projektów zaplanowanych w PKE. Zestaw 12. Rezystory 64 szt. EdW09 można kupić w sklepie internetowym 13. Srebrzanka 1 odcinek www.sklep.avt.pl lub w sklepie firmowym AVT (Warszawa, ul. Leszczynowa 11) – cena brutto 47 zł. 14. Zatrzask do baterii 9V 1 szt. Ale Ty nie musisz kupować! Dostaniesz ten zastaw 15. Płytka stykowa prototypowa za darmo, jeśli jesteś prenumeratorem MT lub wykupisz 840 pól stykowych 1 szt. wkrótce prenumeratę. Wystarczy wysłać na adres: [email protected] dwa zdania: Cena zestawu EdW09 – 47 zł brutto „Jestem prenumeratorem MT i zamawiam bezpłatny (www.sklep.avt.pl) zestaw EdW09. Mój numer prenumeraty: ......................” Jeśli otrzymamy to zamówienie przed 31 stycznia 2014 roku, to zestaw EdW09 wyślemy Ci w połowie Uwaga Szkoły lutego 2014 wraz z marcowym numerem MT. Tylko dla szkół prenumerujących Uwaga uczniowie! „Młodego Technika” Szkoły prenumerujące MT otrzymują Pakiety Szkolne przygotowano Pakiety Szkolne PS EdW09, zawierające po 10 zestawów EdW09 (każdy zawierające zestaw EdW09 zawiera komplet elementów z płytką sty- kową) skalkulowane na zasadach non profit w promocyj- 10 zestawów EdW09 nej cenie 280 zł brutto za jeden pakiet PS EdW09 (tj. z ra- (PS EdW09) w promocyjnej batem 40% – 28 zł brutto za pojedynczy zestaw EdW09, cenie 280 zł brutto, którego cena handlowa wynosi 47 zł). Upewnij się, czy Twoja szkoła prenumeruje MT (niemal wszystkie szkoły tj. z rabatem 40%. ponadpodstawowe i wiele podstawowych otrzymują MT w prenumeracie sponsorowanej przez Ministerstwo Autorem Praktycznego Kursu Elektroniki jest Piotr Nauki i Szkolnictwa Wyższego) i przekaż nauczycielom Górecki, redaktor naczelny kultowego w świecie hob- informację o Praktycznym Kursie Elektroniki z promo- bystów elektroników miesięcznika „Elektronika dla cyjnymi dostawami Pakietów Szkolnych PS EdW09 Wszystkich” i autor legendarnych cykli artykułów i ksią- do ćwiczeń praktycznych. żek uczących elektroniki od podstaw. 74 m.technik - www.mt.com.pl Strona 2 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI Projekt 12 Podsłuchiwanie niesłyszalnego W poprzednim wykładzie proponowałem, żebyś nie demontował ostatnio budowanego dwustop- niowego wzmacniacza. Ja wprawdzie zmontowałem ten układ jeszcze raz, co widać na fotografii tytułowej, ale Ty do wstępnych eksperymentów możesz wykorzystać ostatni układ z poprzedniego ćwiczenia (wg rysunku 31 i fotografii 32) z innymi czujnikami/przetwornikami na wejściu. Dobrze byłoby jednak, gdybyś wymienił kondensatory C2, C3, C4 z 10 mF na 100 mF – w związku z tą zmianą, po włącze- +UZAS 9_15V niu zasilania mu- Z R10 sisz odczekać kilka, + R2 T3 BC548 CF C6 47k 1000µF a może nawet po- 100k C4 + * LED1 nad dziesięć sekund 10µF BLUE R1 Y na ich naładowanie + U1B BC548 4,7k R7 * R8 47k i dopiero potem 5 7 8 T1 C1 + R9 układ będzie pra- 6 2 1 + 100n (2,2k) widłowo pracował. R5 47k FT 3 R4 100Ω W razie potrzeby U1A C5 100k 4 1000µ będziesz zmieniał LM358 T2 czułość wzmacnia- R6 BC558 fotorezystor 1k cza, wymieniając + R6 (100 V...10 kV) R3 + C2 C3 i R7 (1 kV...10 kV), 220k 10µF 10µF X ewentualnie także A R1 (1 kV...100 kV). 75 Strona 3 Na warsztacie T3 BC548 Na wejściu możesz włączyć najróżniejsze przetworniki, które Z SZKOŁA zamieniają rozmaite wielkości fizyczne na sygnał elektryczny. R2 R10 + Oto kilka moich propozycji: R1 C4 LED1 Na rysunku A niebieską podkładką zaznaczony jest nasz 1k...1M Y BLUE czuły wzmacniacz słuchawkowy, a literami X, Y, Z oznaczone 5 + 7 są „punkty wejściowe”. Ten wzmacniacz będziemy wykorzy- C1 R4 U1B stywać we wszystkich eksperymentach tego wykładu, dlatego 100n 6 R5 na kolejnych schematach zamiast pełnego schematu znaj- FD K dziesz tylko niebieską podkładkę z punktami wejściowymi X, Y, Z. Dołączając do wejścia fotorezystor w miejsce mikrofonu, A C2 + R6 możesz „podsłuchiwać światło”. fotodioda R3 Przy świetle sztucznym, w słuchawkach usłyszysz bardzo Poziom tekstu: średnio trudny + głośny terkot – przydźwięk sieci z żarówek i świetlówek C3 (będzie to brum o częstotliwości 100 Hz). Możesz też spró- X bować „podsłuchać”... płomienie ognia w kominku, ale efekt B najprawdopodobniej nie będzie rewelacyjny. Układ może też Z pełnić jak najbardziej pożyteczną rolę – jest też testerem pilotów zdalne- bez rezystora go sterowania od sprzętu RTV – wystarczy skierować podczerwoną diodę R1 nadawczą pilota na fotorezystor i nacisnąć dowolny przycisk. Jeśli pilot dwustopniowy Y wzmacniacz pracuje, w słuchawkach pojawi się charakterystyczny terkot. ze W układzie testera pilotów lepiej byłoby zamiast fotorezystora zasto- słuchawkami sować fotodiodę według rysunku B. Jednak w zestawie EdW09 nie mamy fotodiody, czyli diody czułej na światło. Rolę fotodiody, ale o małej czułości i nie do testowania pilotów, mogłaby od biedy pełnić czerwona X Dowolny dioda LED, włączona w kierunku zaporowym – do tego szczegółu jeszcze głośnik C wrócimy. Po eksperymentach z fotoelementami zdemontuj rezystor polary- Z bez zujący R1. Prawdopodobnie u siebie lub u kogoś bliskiego znajdziesz rezystora mikrofon dynamiczny (np. tani mikrofon do karaoke). Mikrofonem R1 dwustopniowy dynamicznym jest też każdy klasyczny głośnik, co zresztą już wyko- Y wzmacniacz rzystywaliśmy wcześniej (w wykładzie 9, fotografia 20). Możesz więc ze wykorzystać głośnik w roli mikrofonu według rysunku C. Co ciekawe, słuchawkami odwracalnym przetwornikiem elektroakustycznym jest też membrana piezoelektryczna. Jeżeli znajdziesz jakąś membranę piezo, np. od ze- X membrana garka, grającej kartki jakiejś zabawki czy od syreny alarmowej, koniecz- piezo D nie wypróbuj ją w roli mikrofonu według rysunku D. Ale nie chodzi o brzęczyk piezo z zestawu EdW09, tylko o samą membranę – szczegóły w dalszej części wykładu. Membranę piezo możesz też wykorzystać w roli mikrofonu kontaktowego, wykrywającego drgania metalowych rur wodociągowych, szyb, be- tonowych ścian, itp. Fotografia E pokazuje układ z membraną piezo z tubą – jest to przetwornik ro- dziny PCA-100, przeznaczony do syren alarmowych. W tym przypadku czułość jest ogromna, większa niż w wersji z mikrofonem elektretowym, dlatego po- trzebne może okazać się zwiększenie rezystancji R6. A teraz kluczowe propozycje tego wykładu: wyko- rzystaj nasz zasilany z baterii podsłuch w nietypo- wej roli wykrywacza zmiennego pola magnetycznego i aparatu słuchowego. Zamiast mikrofonu włącz cewkę, zawierającą co najmniej kilka zwojów (czym więcej, tym lepiej) izolowanego drutu o dowolnej grubości – rysunek F. Jak widać na fotografii tytuło- wej, ja wykorzystałem cewkę o średnicy około 5 cm, zawierającą tylko 4 zwoje. Już te cztery zwoje dały dobry efekt, jednak jeżeli to możliwe, Twoja cewka powinna mieć więcej zwojów – układ będzie jeszcze czulszy. E 76 m.technik - www.mt.com.pl Strona 4 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI bez Z Zasil układ z baterii i zwracaj uwagę na dźwięk w słuchawkach rezystora zbliżając sondę – cewkę do różnego rodzaju urządzeń elektro- R1 nicznych i elektrycznych, w szczególności do różnych zasilaczy. dwustopniowy wzmacniacz Przekonasz się, że w ich pobliżu nasila się dźwięk – brum w słu- ze chawkach. Pewien problem w tym, że indukowany w cewce pod Y słuchawkami wpływem zmiennego pola magnetycznego sygnał najczęściej ma częstotliwość sieci energetycznej, czyli tylko 50 Hz. Jest to bar- X dzo niski dźwięk, głębokie buczenie. Tak niskiego dźwięku nie F cewka usłyszysz w małym głośniczku. Masz szansę usłyszeć go w słu- chawkach. Do takich eksperymentów, bardzo ważnych dla praktyka, jeszcze wrócimy. A wcześniej możesz zrealizo- wać kolejne zaskakujące ćwiczenie. Jeżeli masz w zapasach żarówkę samochodową 12 V/21 W lub 12 V/10 W, to dołącz odłączone kolumny ją do wyjścia domowego wzmacniacza audio, odłączając wamacniacz współpracujące głośniki/kolumny. Stwórz pętlę, w której Uwy Z ze słuchawkami mocy dwustopniowy żarówka będzie płynął prąd zmienny i badaj pole magnetyczne wzmacniacz audio Y samochodowa 12V 21W wewnątrz i na zewnątrz pętli. Aby pętla miała sensowną X lub 12V 10W podsłuch wielkość, koniecznie wykorzystaj pojedynczy, jednożyło- z cewką wy przewód, a nie dwużyłowy kabel według rysunku G. G pojedynczy przewód Możesz też wykorzystać dłuższy pojedynczy przewód i zwinąć go w pętlę – cewkę o 2...5 zwojach według rysunku H. Wzmacniacz mocy audio dobrze byłoby nastawić na taką głośność, żeby żarówka leciutko się żarzyła, ale moc wyj- odłączone kolumny ściowa może też być mniejsza i efekt będzie zaskakująco żarówka samochodowa dobry. W każdym razie przekonasz się, że wewnątrz i w po- 12V 21W lub 12V 10W bliżu pętli nasz podsłuch z cewką odbiera dźwięk ze wzmac- wamacniacz Uwy Z niacza mocy. Dokładnie tak działa tzw. pętla indukcyjna ze słuchawkami mocy dwustopniowy wzmacniacz audio Y dla słabosłyszących. Jeśli ktoś z Twojej rodziny (dziadek, X babcia) ma aparat słuchowy z trzypozycyjnym przełączni- kiem M, T, 0, przełącz aparat w pozycję T i wypróbuj w pętli H kilkuzwojowa pętla z rysunku G lub H. Wykład z ćwiczeniami 12 Poznajemy elementy i układy elektroniczne Podczas ćwiczeń wstępnych zachęcałem do wykorzystania membrany piezo w roli mikrofonu. Membrany piezo są powszechnie wykorzystywane w roli głośniczków – brzęczyków oraz syren alarmowych – przykłady na fo- tografii 1. Membrany piezo znaj- dziesz w zegarkach, w „grających kartkach”, w multimetrach i wielu innych urządzeniach. Ale uwaga – brzęczyk piezo (buzzer) oprócz membrany zawiera układ elek- troniczny – fotografia 2 pokazuje wnętrze brzęczyka z membraną piezo. Pod względem elektrycznym membrana piezo jest rodzajem kondensatora (o zncznej po- jemności rzędu 100 nF), gdzie dielektrykiem jest materiał piezo- elektryczny umieszczony między 1 metalowymi okładkami. Materiał 77 Strona 5 Na warsztacie piezoelektryczny to taki, SZKOŁA który odkształca się pod wpływem przyłożonego na- pięcia (pola elektrycznego), natomiast odkształcany wy- twarza napięcie (pole elek- tryczne). Membrana piezo jest więc przetwornikiem odwracalnym – dwukierun- kowym. Biegunowość nie ma znaczenia. Niektóre membra- ny mają przymocowaną tubę Poziom tekstu: średnio trudny metalową lub plastikową, która zapewnia wytworzenie głośniejszego dźwięku, co 2 można zilustrować jak na rysunku 3a i 3b. Natomiast brzęczyk piezo z zestawu EdW09, oprócz membrany piezo z trzema wyprowadzeniami, zawiera generator sterujący z tranzystorem i jest elementem (układem) biegu- nowym. Przykładowy schemat masz na rysunku 3c – porównaj z fotografią 2. Na pozór podobnie działa przetwornik dźwięku w mikrofonie elektretowym – tam też między okładkami kondensatora umieszczony jest „dziwny materiał”, ale nie piezoelektryk, tylko tak zwany elektret – materiał trwale naelektryzowany, elektryczny odpowiednik magnesu trwałego. Jednak zasady działania membrany piezo i przetwornika elektretowego są inne. Przetwornik piezo do pracy zarówno w roli głośnika, jak też mikrofonu nie wymaga żadnych dodatkowych elemen- tów. Natomiast przetwornik mikrofonu elektretowego to kondensator o bardzo małej pojemności; rysunek 4 pokazuje schemat wewnętrzny i układ pracy typowego mikrofonu elektretowego, gdzie kluczowym elementem jest tranzystor polowy JFET. Wstępne ćwiczenia udowodniły, że nasz dwustopniowy układ jest uniwersalnym wzmacnia- czem, który może znaleźć szereg interesujących zastosowań. Jednak skupmy się na ostatnich eksperymentach. Otóż dołączając do naszego podsłuchu cewkę, wykonaliśmy czujnik zmiennego pola magnetycznego. Wcześniej, w wykładzie 7 dowiedzieliśmy się, że zakłócenia, w tym brum a) c) + sieci 50 Hz, mogą przedostawać się przez pole elektryczne i wszechobecne maleńkie pojemno- dielektryk ści. Teraz przekonaliśmy się, że zakłócenia i brum z materialu mogą przedostawać się także przez pole mag- piezoelektrycznego netyczne (i wszechobecne indukcyjności). Pole b) magnetyczne powstaje wszędzie tam, gdzie płynie _ prąd. „Odbiornikami” i „nadajnikami” pola mag- Y netycznego są wszelkie cewki, w tym wszelkie brzęczyk piezo membrany piezo 3 pojedyncze pętle, czyli cewki jednozwojowe. Każda cewka, a także każdy przewód, którym +UB płynie prąd (stały lub zmienny), wytwarza pole magnetyczne – stałe lub zmienne. Z drugiej strony, jeśli w zmiennym polu magnetycznym przetwornik RL elektretowy typ. 2,2k umieścimy dowolną cewkę (pętlę) to zaindukuje się w niej napięcie i może popłynąć prąd. Taki jest mechanizm przenoszenia za pomocą wy pola magnetycznego zarówno niepożądanych zakłóceń, jak też dźwięku + JFET D w instalacji dla słabosłyszących. G C T1 UB Umieszczając blisko siebie dwie cewki (często dodatkowo na wspól- S nym rdzeniu magnetycznym), otrzymujemy transformator. Zasada zi- lustrowana jest na rysunku 5a. Prąd zmienny płynąc przez jedną z ce- wek wytwarza pole magnetyczne. W tym polu umieszczona jest druga mikrofon elektretowy 4 cewka, w której zmienne pole indukuje napię- cie i umożliwia przepływ prądu, gdy obwód a) b) c) zostanie zamknięty. W rzeczywistości uzwo- prąd napięcie zmienne jenia zawierają zwykle wiele zwojów, dlatego zmienny wykorzystujemy symbol transformatora jak na rysunku 5b. Większość transformatorów zawiera rdzeń magnetyczny, co zaznaczamy 5 78 m.technik - www.mt.com.pl Strona 6 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI a) I we A1 B1 I wy jak na rysunku 5c. Nie ma transformatorów prądu Uwe NA stałego, ponieważ napięcie w uzwojeniu wtór- = Uzwojenie A Uwy NB NA - zwojów Uzwojenie B NB - zwojów nym indukuje się tylko pod wpływem zmian pola Uwe RL magnetycznego. Uwy N Uwy= B Uwe Zgodnie z nazwą, transformator służy do NA G transformacji, czyli przekształcania, przemiany – Uwy Iwy= w praktyce do zmiany wartości napięcia według B2 RL A2 prostej zasady: wartości napięć (przemiennych) uzwojenie uzwojenie na wejściu i wyjściu są proporcjonalne do licz- pierwotne wtórne by zwojów uzwojeń, jak obrazuje to rysunek 6. b) I we B1 A1 I wy Transformator może pracować „w obu kierun- Uwe NB kach”, przy czym uzwojeniem pierwotnym nazy- = Uwy NA wamy to, które jest podłączone do źródła napięcia Uzwojenie B NB - zwojów Uzwojenie A NA - zwojów RL zmiennego, natomiast uzwojenie wtórne to te, Uwy Uwe N do którego jest dołączone obciążenie. Stosunek Uwy= A Uwe G NB liczby zwojów uzwojenia pierwotnego do liczby Uwy zwojów uzwojenia wtórnego jest nazywany prze- Iwy= B2 RL kładnią transformatora. Zazwyczaj transformator 6 A2 służy do podwyższania lub obniżania napięcia, a) I we I wy ale są też transformatory o przekładni 1:1, które nie zmieniają wartości napięcia, a ich jedynym zadaniem jest oddzielenie galwaniczne dwóch obwodów, potrzebne z uwagi na bezpieczeństwo (transformatory separacyjne 230 V/230 V 50 Hz) lub zmniejszenie wpływu zakłóceń (np. transformator- P Uwe Pwe RL Uwy wy ki separacyjne w profesjonalnym sprzęcie audio). W idealnym transformatorze cała moc dostarczona do uzwojenia pierwotnego zostałaby bez strat dostarczona do uzwojenia wtórnego i dalej do otoczenia – rysunek 7a. Z uwagi na straty w rezystancji miedzianych uzwojeń, a tak- Pwe =Uwe*I we Pwy =Uwy *I wy że straty w rdzeniu, część mocy, zwykle kilka procent, jest w transformatorze idealnym Pwy =Pwe marnowana w transformatorze w postaci ciepła, jak ilustruje rysunek 7b. Sprawność transformatorów, oznaczana małą b) I we I wy literą grecką eta (h = Pwy/Pwe), wynosi zwykle ponad 90%. Między innymi po to, by zmniejszyć straty i poprawić inne właściwości; w transformatorze cewki są umieszczone bar- dzo blisko siebie i dodatkowo często zastosowany jest rdzeń. Pwy RL Transformatory niskich częstotliwości, zarówno zasilające Uwe Uwy Pwe sieciowe 50 Hz, jak i transformatory audio (20 Hz...20 kHz), mają rdzenie z blach magnetycznych, często z tzw. permalo- ju. Dla częstotliwości rzędu kiloherców i pojedynczych me- gaherców są to rdzenie z różnego rodzaju ferrytu – twardego P ceramicznego spieku materiałów o właściwościach ferromag- straty str netycznych. Natomiast w zakresie wysokich częstotliwości, Pwe =Uwe*I we Pwy =Uwy *I wy +Pstr) rzędu wielu megaherców, często wykorzystujemy transforma- w transformatorze rzeczywistym Pwy <Pwe tory bez rdzenia (z rdzeniem powietrznym). Pwy (Pwe =Pwy+Pstr) sprawność η= Co ważne także z uwagi na zakłócenia, część pola mag- Pwe 7 netycznego, wytwarzanego przez uzwojenie pierwotne transformatora, nie obej- muje uzwojenia wtórnego, tylko niejako „ucieka na zewnątrz”. Jest to szkodli- we tzw. pole rozproszenia, będące przyczyną zakłóceń – brumu w licznych ukła- dach. Fotografia 8 pokazuje różne transformatory za- silające (50 Hz) oraz inne 8 transformatory (impulsowe), 79 Strona 7 Na warsztacie 2 x BC558 pracujące przy CA ,CB =1nF...10nF K SZKOŁA wyższych czę- T2 cewka 1 stotliwościach. T1 L bez Z CA CB rezystora Największe R1 pole rozpro- RS + dwustopniowy + RC2 1k szenia mają wzmacniacz 10k ze klasyczne B1 Y B2 T3 słuchawkami transformatory cewka 2 BC548 z rdzeniem EI, RC1 RB1 RB2 RC3 10k X a najlepsze, 10k najmniej „śmie- 2 x 220k cące” są trans- 9 Poziom tekstu: średnio trudny formatory toro- idalne. Podczas ćwiczeń tego wykładu mo- żesz przekonać się o tym osobi- ście. Temat jest bardzo ważny dla praktyka, więc w następ- nym wykładzie zajmiemy się tym zagadnie- niem znacznie dokładniej. A teraz w ramach ćwiczeń zre- alizujmy naj- prawdziwszy - transformator powietrzny. Do 2 x BC558 wejścia naszego CA ,CB =1nF...10nF K wzmacniacza T1 T2 dołącz kilku- L CA CB LED RGB zwojową cewkę LED1 Z (rysunki A i F). RS + 1k Dodatkowo RC2 10k dwustopniowy + zrealizuj też B1 LED2 T3 Y wzmacniacz prosty gene- ze B2 BC548 rator według RC1 RB1 RB2 RC3 R1 słuchawkami 10k 100k rysunku 9. 10k Dodatkowy X tranzystor T3 2 x 220k ! jest „stopniem mocy”, a prąd wyjściowy ogranicza re- zystor RS. Mój model poka- zany jest na fotografii 10. Kondensatory CA, CB mogą mieć po 1 nF (102) lub 10 nF (103) – w moim @ 80 m.technik - www.mt.com.pl Strona 8 PRAKTYCZNY KURS ELEKTRONIKI 2 x BC558 CA ,CB =1nF...10nF modelu jeden ma 1 nF, drugi 10 nF. K T2 Do punktów K, L dołącz kilkuzwo- T1 LED1 CA CB jową cewkę. L Aby uniknąć wzajemnego RS wpływu obu układów, zasil + 1k RC2 wzmacniacz i generator z dwóch 10k Z B1 oddzielnych źródeł. Żółte strzałki T3 na fotografii 10 wskazują miejsca, BC548 RC1 RB1 RB2 RC3 gdzie pomiędzy poziomymi listwa- 10k 2x dwustopniowy + mi zasilania jest przerwa, umoż- 10k wzmacniacz F 220k liwiająca zasilanie obu bloków Y ze B2 E słuchawkami z oddzielnych źródeł. Gdy zbliżysz D Y cewki do siebie, w słuchawkach X usłyszysz pisk generatora, prze- # A B C X chodzący przez prymitywny transformator powietrzny. U mnie uzwojenie pierwotne ma 6 zwojów, wtórne 4 zwoje. Właśnie z uwagi na to ćwiczenie przebudowa- łem nasz dwustopniowy wzmacniacz – układ podsłuchowy z poprzedniego wykładu, by miał jak najbardziej zwartą, kompaktową budowę i aby był na skraju płytki, z dala od generatora. Na początku niniejszego wykładu wspomniałem, że rolę fotodiody może pełnić dioda LED. „Prawdziwa”, krzemowa fotodioda reaguje na światło widzialne i podczerwień. Dioda LED będzie reagować na światło o długości fali mniejszej, niż ona sama wytwarza. Dlatego musiałaby to być czerwona dioda LED, bo inne będą jeszcze mniej czułe, ale soczewka powinna być bezbarwna, by przepuszczała światło o wszystkich długościach fali. Zbuduj układ według rysunku 11, gdzie rolę fotodiody pełni czerwona struktura trzykolorowej diody RGB z zestawu EdW09. Dioda ta jest włączona w kierunku wstecznym, struktury zielona i niebieska nie są wykorzystane. Wartość rezy- stora polaryzacyjnego R1 zwiększamy do 100 kV i dołączamy go od strony masy (diodę LED RGB i rezystor R1 można byłoby równie dobrze zamienić miejscami). Nasza improwizowana „fotodio- da” (LED2) będzie reagować na światło niebieskiej diody LED1, dołączonej do punktów K, L gene- ratora. Niebieskie światło zmienia wartość tzw. prądu wstecznego naszej fotodiody, co wywołuje zmiany napięcia na wejściu Y wzmacniacza podsłuchowego. Dla pewności również zasilaj wzmacniacz i generator z oddzielnych źródeł. W słuchawkach, zależnie od wartości pojemności CA = CB w generatorze (1 nF...1 mF), usłyszysz pisk lub terkot. Mój model pokazany jest na fotografii 12. A jeżeli mamy do dyspozycji wzmacniacz o ogromnym wzmocnieniu, to możemy zająć się kolej- nym ważnym zagadnieniem. Zapomniane rezystancje. Rysując na schemacie ideowym połączenia między elementami mil- cząco, zakładamy, że mają zerową oporność. Nie zastanawiamy się nad tym, że przecież będą one fizycznie zrealizowane w postaci przewodów czy ścieżek na płytce drukowanej, a tym samym, że ich oporność nie będzie zerowa. Faktem jest, że w większości obwodów nie trzeba zwracać szcze- gólnej uwagi na oporności połączeń. Jednak niezerowe, często stosunkowo duże oporności ścieżek i przewodów, mogą mieć bardzo negatywny wpływ na parametry wielu układów, zwłaszcza wszel- kich (przed)wzmacniaczy oraz układów pomiarowych. Warto pamiętać, że warstewka miedzi na płytce drukowanej jest bardzo cienka, zwykle ma grubość 0,035 mm. Programy do komputerowego projektowania płytek często jako domyślnie pro- ponują ścieżki o szerokości 10 milsów, czyli 0,254 mm (1 mils to 1/1000 cala, czyli 0,0254 mm). Przekrój wynosi wtedy tylko 0,009 mm2. 10 centymetrów takiej ścieżki ma rezystancję około 200 miliomów, czyli 0,2 V, a przepływ prądu 100 mA wywołałby na niej spadek napięcia aż 20 mV. W wielu zastosowaniach to niedopuszczalnie dużo! Przy projektowaniu płytek drukowa- nych trzeba pamiętać o tej ważnej sprawie! Oto inny przykład z życia wzięty: cienki drucik miedziany o średnicy 0,5 mm ma przekrój 0,2 mm2 i 10 cm takiego drutu ma rezystancję około 0,0085 V, czyli 8,5 mV. Prąd 100 mA wywoła na tej rezystancji spadek napięcia 0,85 mV. Na pozór niewiele, jednak nawet tak małe spadki na- pięcia mogą być przyczyną kłopotów. Co ciekawe takie, a nawet jeszcze mniejsze spadki napięć możemy mierzyć za pomocą wzmacniacza operacyjnego. Superczuły miernik prądu. Wykorzystajmy teraz nasz czuły wzmacniacz do „podsłuchiwania prądu”, a ściślej do badania spadków napięć na przewodach i stykach. Będziemy monitorować zmiany poboru prądu naszego prostego multiwibratora z diodą LED, mierząc spadek napięcia na maleńkiej rezystancji, jaką ma kilkucentymetrowy odcinek drutu w układzie z rysunku 13. Abyś 81 Strona 9 SZKOŁA Poziom tekstu: średnio trudny Na warsztacie $ nie miał żadnych wątpliwości, część pomiarowa powinna być zasilana z jednej baterii, a generator + U1B R7 R8 100kΩ 5 7 T1 z diodą LED – z innej. Wykorzystaj dwie baterie + R9 6 10Ω 2 1 (akumulatory) o napięciu 7...15 V, ale nie podłączaj R5 3 100Ω zasilacza, bo będziesz miał kłopot z dodatkowymi U1A 100kΩ T2 zakłóceniami, przychodzącymi przez zasilacz z sie- R6 LM358 ci (jeśli nie wierzysz – sprawdź). 10Ω Mam nadzieję, że przy zwarciu punktów wejścio- % wych X, Y, wzmacniacz nie wzbudzi się, a w słu- +1,000V +1,000V chawkach będziesz słyszeć tylko nieunikniony szum, + + Uos=2mV Uos=2mV ale bez żadnego pisku czy terkotu. Gdyby przy zwarciu wejścia pojawił się terkot lub pisk, trzeba zmontować układ w inny sposób i inaczej poprowadzić obwód masy, by usunąć problemy, które mają być badane w tym ćwi- +0,998V +1,002V ^ czeniu. W moim modelu, pokazanym na fotografii 14, nieprzypadkowo zasilanie wzmacniacza zostało dołączone do punktów, wskazanych niebieskimi strzałkami. Do tych eksperymentów zmieniłem też miejsce dołączenia kondensatora filtrującego C6. Taki model nie sprawiał kłopotów przy zwarciu punktów X, Y i można było dołączyć te punkty do punktów C, D generatora. Po włączeniu zasilania generatora w słuchawkach pojawia dość głoś- ny głośny pisk – wzmocniony spadek napięcia na kawałeczku drutu. W obwodzie masy generatora celowo umieściliśmy dodatkową rezystancję kawałka drutu. U mnie jest to około 5cm drutu o średnicy 0,5 mm (w zielonej izolacji), więc spodziewana rezy- stancja wynosi około 4 miliomów (0,004 V), co przy prądzie rzędu 10 mA daje spadek napięcia około 40 mikrowoltów (0,00004 V). Wyraźny dźwięk w słuchawkach świadczy, że nasz wzmac- niacz – podsłuch dobrze radzi sobie ze wzmacnianiem bardzo maleń- 0V we kich napięć zmiennych! + G = 10 Zwróć uwagę, że przy połączeniu według rysunku 13 i fotografii 14, 2mV nasz podsłuch monitoruje spadek napięcia tylko na rezystancji drutu (w zielonej izolacji), czyli między punktami C – D. 1k 9k A rezystancja płytki stykowej i spadek napięcia na niej? 0V -2mV -20mV Dołącz punkt Y do punktu A – wtedy sprawdzisz spadek napięcia na rezystancjach płytki stykowej między punktami A – C. I co? Jesteś 0V we + G = 100 zaskoczony? Tak, to kolejny temat ogromnie ważny dla każdego praktyka, więc 2mV starannie zbadaj spadki napięć w obwodzie masy, dołączając wejścia 1k 99k X, Y do dowolnych punktów generatora oznaczonych literami A, B, C, D, E, F. Przy zasilaniu wzmacniacza i generatora z oddzielnych baterii, 0V -2mV -200mV punkty X, Y możesz też dołączać do dowolnych innych ścieżek i sty- 0V we ków układu generatora, by zbadać występujące na nich spadki napięć. + G = 1000 A może chciałbyś jeszcze bardziej wzmocnić sygnał? 2mV Teoretycznie wystarczyłoby zmienić wartości R5 … R8 według idei z rysunku 15. Oba stopnie miałyby wzmocnienie po 10000 razy 1k 999k (80 dB), co w sumie dałoby gigantyczne wzmocnienie 100 milionów razy (160 dB). 0V -2mV -2V & 82 m.technik - www.mt.com.pl Strona 10 0V -2mV -22mV we Niestety, nie uda się to, i to z kilku powodów, które omówimy 1k 10k w dalszych wykładach. A na razie omówmy tylko jeden, wynikają- cy ze wspomnianego wcześniej wejściowego napięcia niezrówno- 2mV ważenia (offsetu) wzmacniaczy operacyjnych. Jak wiemy, niedo- + G = _10 skonała symetria stopni wejściowych wzmacniacza operacyjnego 0V objawia się tym, że podczas normalnej pracy wzmacniacza opera- 0V -2mV -202mV cyjnego, napięcie między wejściami nie jest równe zeru, tylko musi we tam występować niewielkie napięcie stałe, dodatnie lub ujemne Jak 1k 100k już wiesz z wykładu 11, w kostkach LM358 według katalogu typo- wo wynosi ono 2 mV, maksymalnie w nielicznych egzemplarzach 2mV do 7...9 mV. Rysunek 16 pokazuje „dodatnie” i „ujemne” napię- + _ G = 100 cie niezrównoważenia w dwóch przykładowych egzemplarzach 0V wzmacniacza, pracujących w roli wtórnika. Problem w tym, że to 0V -2mV -2,002mV napięcie niezrównoważenia jest wzmacniane. (Wejściowe) napięcie we niezrównoważenia dla danego egzemplarza jest niezmienne (pomi- 1k 1M jając jego dryft cieplny), ale na wyjściu musi się ustalić odpowied- nie napięcie stałe, aby zapewnić prawidłową pracę wzmacniacza, 2mV Przykładowa sytuacja dla wzmacniacza nieodwracającego jest + G = _1000 pokazana na rysunku 17. Jak widać, przy dużym wzmocnieniu, na * 0V wyjściu potrzebne byłoby spoczynkowe napięcie stałe o niedopusz- we czalnie dużej wartości. Ten sam problem dotyczy wzmacniacza + odwracającego – rysunek 18. wy Problem można łatwo wyeliminować, gdy ma to być wzmac- C niacz sygnałów zmiennych – wystarczy włączyć kondensator R2 R1 o odpowiednio dużej pojemności według rysunku 19 – wtedy dla prądów stałych wzmacniacz jest wtórnikiem i problemu offsetu praktycznie nie ma – patrz rysunek 16. W naszym wzmacniaczu podsłuchowym pierwszy stopień już we pracuje w takiej konfiguracji, więc wystarczy w drugim stopniu R2 R1 dodać kondensator C7 w szereg z rezystorem R7. Oczywiście po- C jemności C3, C7 muszą być odpowiednio duże, żeby dolna często- tliwość graniczna była odpowiednio niska. + wy ( I oto nauczyliśmy się zręcznie omijać problem napięcia nie- zrównoważenia, ale tylko we wzmacniaczu napięć zmiennych. Jednak trzeba z nim walczyć inaczej, gdybyśmy chcieli zrealizować bardzo czuły wzmacniacz napięć stałych, na przykład do wzmacniania napięcia z termopar, służących do pomiaru temperatury. Termopara to połącze- nie dwóch różnych metali, dające na wyjściu niewielkie napięcie stałe. Fotografia 20 poka- zuje cztery różne termopary. Niestety, czułość przetwarzania termopar jest mała, wynosi od 10 mV/°C do co najwyżej 100 mV/°C, więc napię- ) cie stałe, uzyskiwane z termopary też jest małe, często rzędu pojedynczych a) VCC b) VCC miliwoltów. Do jego wzmoc- + + nienia potrzebne są precy- + + zyjne i stabilne wzmacniacze termopara termopara napięć stałych. W najprost- + + szym przypadku może to być wzmacniacz stałoprądowy, wyjście wyjście _ _ R1 R1 zasilany napięciem syme- R2 R2 trycznym, na przykład według GND GND rysunku 21a, a jeśli użyjemy wzmacniacza, którego wej- + ście i wyjście może pracować na poziomie ujemnej szyny VEE q zasilania (np. nasz LM358), 83 Strona 11 Na warsztacie Tabela 1. klasyczne z obwodami autozerowania SZKOŁA Wzmacniacze operacyjne LM358 OP07 OP177F MAX44251 OPA734 Parametr typ. max typ. max typ. max typ. max typ. max napięcie niezrównoważenia Uos [mV] 2000 7000 30 75 10 25 3 6 1 5 dryft cieplny Uos [mV/°C] 7 ? 0,3 1,2 0,1 0,3 0,005 0,019 0,01 0,05 stabilność długoczasowa Uos [mV/miesiąc] ? ? 0,3 1,5 0,3 ? nie dotyczy możemy zasilać napięciem pojedynczym według rysun- VCC VCC ku 21b. W takich wzmacniaczach stałoprądowych problem N.C. napięcia niezrównoważenia występuje z całą ostrością. 7 (not connected) 7 Poziom tekstu: średnio trudny 3 3 Przede wszystkim trzeba jednak wiedzieć, że praktycznie + 8 + 8 we wszystkich pojedynczych wzmacniaczach operacyjnych 6 1 6 dwie z trzech „wolnych” końcówek (nóżki 1, 5, 8 – patrz 1 2 5 2 rysunek 5 w wykładzie 11) przeznaczone są do korekcji sy- 4 4 metrii i tym samym do zerowania napięcia niezrównoważe- nia. Rysunek 22 pokazuje sposoby włączenie potencjometru korekcyjnego w popularnych wzmacniaczach TL061/TL071/ TL081 oraz OP27 i NE5534. VEE VEE W praktyce stosuje się też inne sposoby. We wzmacniaczu TL 061/071/081 OP27, NE5534 w odwracającym i wszelkich pokrewnych zasilanych we napięciem symetrycznym stabilizowanym, natu- ralny wydaje się sposób z rysunku 23a, gdzie na a) R2 R1 wy wejście nieodwracające wprost podaje się napięcie korekcyjne, równe napięciu niezrównoważenia Uos. Uos lub + W praktyce napięcie takie uzyskuje się w układzie + Uos z rysunku 23b na małym rezystorze RA w dziel- + niku, zasilanym z potencjometru montażowego. Jednak w praktyce najprostszy okazuje się sposób z rysunku 23c. We wzmacniaczu nieodwracającym b) VCC należałoby podać napięcie równe napięciu niezrów- we R2 noważenia według rysunku 24a. W praktyce można R1 + wy to zrealizować według rysunku 24b, a we wtórniku według rysunku 24c, pamiętając o wpływie do- R B 100k datkowych rezystancji na wartość wzmocnienia. Trudniejsze może się okazać wykorzystanie pokaza- Pot nych sposobów przy zasilaniu napięciem pojedyn- 10-100k RA czym, ponieważ napięcie niezrównoważenia może 100Ω być „dodatnie” lub „ujemne” – wtedy warto skorzy- VEE stać ze sposobu z rysunku 22. Proste sposoby z rysunków 22...24 likwidują c) VCC problem napięcia niezrównoważenia, jednak nie we R2 usuwają pokrewnego problemu dryftu cieplnego na- + R1 wy pięcia niezrównoważenia. W popularnych wzmac- RB niaczach dryft ten ma wartość około 10 mV na stopień Celsjusza, więc przy zmianie temperatury Pot o 20 stopni napięcie niezrównoważenia zmieni się 10-100k o 0,2 mV. Na pozór niewiele, ale zostanie to pomno- VEE e żone przez wzmocnienie stałoprądowe. W praktyce właśnie dryft napięcia niezrównoważenia ogranicza od dołu zakres mierzonych napięć stałych. Nie ma prostego sposobu na dryft cieplny. Teoretycznie można by wzmacniacz umieścić w termo- stacie, ale i to nie wyeliminowałoby kolejnego problemu – drobnych długookresowych zmian na- pięcia niezrównoważenia wskutek starzenia. W niektórych katalogach podawane są informacje tak- że o stabilności długoczasowej napięcia niezrównoważenia (w mikrowoltach na miesiąc). Dotyczy to jednak tak zwanych wzmacniaczy precyzyjnych. W tabeli 1 podane jest porównanie wchodzą- cych tu w grę parametrów kilku wzmacniaczy, w tym naszego wzmacniacza LM358 i popularnych precyzyjnych OP07 i OP177F. Dwa ostatnie (MAX44251 i OPA734) to precyzyjne wzmacniacze operacyjne z dodatkowymi wewnętrznymi obwodami, które podczas pracy na bieżąco korygują 84 m.technik - www.mt.com.pl Strona 12 a) we + wy napięcie niezrównoważenia i kompensują jego zmia- ny cieplne, a przy okazji także część szumów. lub R2 R1 Uos Jeśli masz woltomierz (multimetr) i chcesz spraw- + dzić wartość i „biegunowość” napięcia niezrówno- Uos + ważenia swojego wzmacniacza, możesz wykorzystać układ według rysunku 25a lub ewentualnie według rysunku 25b, byle tylko wyjście nie weszło w stan b) we + VCC nasycenia. W układzie z rysunku 25b wzmacniacz wy oznaczony X jest wtórnikiem, wytwarzającym na- Pot pięcie sztucznej masy na poziomie połowy napięcia RB zasilania. Skrót DUT (Device Under Test) wskazuje testowany wzmacniacz. Jego wejściowe napięcie R2 R1 niezrównoważenia jest wzmacniane 1000-krotnie (te- oretycznie 1001-krotnie, zgodnie z rysunkiem 18, ale tolerancja rezystorów R1, R2 uniemożliwia taką do- RA RB≈1000*RA 10-100Ω kładność). Fotografia 26 pokazuje, że jeden z moich wzmacniaczy LM358, testowany w układzie według VEE rysunku 25a, ma napięcie niezrównoważenia około 1,3 mV (1309 mV/1000). Tylko jeden z kilkunastu c) we VCC badanych wzmacniaczy miał napięcie niezrównowa- + wy żenia większe (1,7 mV), natomiast wszystkie pozo- stałe miały napięcie niezrównoważenia poniżej 1mV, Pot RB RA niektóre około 0,1...0,2 mV. W następnym wykładzie będziemy się zajmować 1k problemem zakłóceń i szumów, a także kolejnymi aspek- RB≈1000*RA VEE tami niedoskonałości wzmacniaczy operacyjnych.  r Piotr Górecki a) R1 b) R1 + R3 100kΩ 100kΩ 100k DUT B1 DUT + 9-12V + + R2 V R2 V 100Ω B2 100Ω + B1 masa sztuczna 9-12V X 9-24V masa + R4 100k DUT (D.U.T.) = Device Under Test t y 85